第7章谐振软开关技术

1、第第7章章 谐振软开关技术谐振软开关技术教学要求：教学要求：（1 1）掌握软开关的基本概念、特性及其类型；）掌握软开关的基本概念、特性及其类型；（2 2）了解准谐振与多谐振变换电路、零开关）了解准谐振与多谐振变换电路、零开关PWMPWM变变换电路、零转换换电路、零转换PWMPWM变换电路和直流环节谐振型逆变变换电路和直流环节谐振型逆变电路的工作原理及工作过程。电路的工作原理及工作过程。为了使开关型电力电子变换器能在很高的频率下高效为了使开关型电力电子变换器能在很高的频率下高效可靠地运行，近年来研究并开始应用了可靠地运行，近年来研究并开始应用了软开关软开关技术。技术。7.1 谐振软开关的基本概念

2、谐振软开关的基本概念 一、硬开关的开关损耗一、硬开关的开关损耗1、典型的开关损耗、典型的开关损耗 16onsss onPf U I t开通损耗：开通损耗：关断损耗：关断损耗：16offsss offPf U I t2、Buck电路中器件的开关损耗电路中器件的开关损耗 12onsdo onPf U I t12offsdo offPf U I tBuck电路中器件的电路中器件的开开关损耗关损耗更为严重更为严重 二、软开关特性二、软开关特性 1、零电压开通、零电流关断、零电压开通、零电流关断 2、软开通、软关断、软开通、软关断 三、谐振软开关电路的类型三、谐振软开关电路的类型 1、准谐振与多谐振变换

3、电路、准谐振与多谐振变换电路2、零开关、零开关PWM变换电路变换电路 3、零转换、零转换PWM变换电路变换电路4、直流环节谐振型逆变电路（、直流环节谐振型逆变电路（RDCLI）7.2 准谐振与多谐振变换电路准谐振与多谐振变换电路7.2.1 零电流开关准谐振变换电路零电流开关准谐振变换电路（ZCS QRC）1. 基本工作原理基本工作原理若有源开关只允许电流单向流通，则零电流开关工作于若有源开关只允许电流单向流通，则零电流开关工作于“半半波模式波模式”；若有源开关允许电流双向流通，则零电流开关工；若有源开关允许电流双向流通，则零电流开关工作于作于“全波模式全波模式”。 由于有谐振的作用，当谐振电感

4、由于有谐振的作用，当谐振电感 rL中通过的电流为零时，中通过的电流为零时， 开关管开关管VT导通，导通， 从而实现开关管零电流开通；从而实现开关管零电流开通； 当当VT导通后，谐振电感和谐振电容发生谐振，导通后，谐振电感和谐振电容发生谐振， 从而实现开关管的零电流关断。从而实现开关管的零电流关断。rL中的电流为零时，中的电流为零时， 开关管断开，开关管断开，2. 工作过程分析工作过程分析1）半波模式）半波模式 2） 全波模式全波模式 (1)(1) 阶段阶段 01 , t t0tVT0CruLri在在 时刻，开关管时刻，开关管 开通，二极管仍处于导通态，开通，二极管仍处于导通态， ，oIDoLr

5、iIioI从零线性上升至从零线性上升至，从从线性下降为零，线性下降为零， 二极管自然关断。二极管自然关断。(2)(2) 12 ,t t阶段（谐振阶段）阶段（谐振阶段） 1( )sin()iLrorrUitIttZ1( )1cos()CrirutUtt(3)(3) 23 , t t阶段（电容放电）阶段（电容放电） (4) 34 , t t阶段（续流时期）阶段（续流时期） 关断，即在零电流下关断关断，即在零电流下关断 之后，使开关之后，使开关 对于半波模式，对于半波模式， 2ttVT2ttLri对于全波模式，在对于全波模式，在之后，之后，反向流动，反向流动，sVDrC导通，电容导通，电容经经rLs

6、D、向电源回馈电流向电源回馈电流 和和3） rCrL的设计和选用的设计和选用 max2irroULf Imax2orriICf U7.2.2 零电压开关准谐振变换电路零电压开关准谐振变换电路（ZVS QRC） 1. 基本工作原理基本工作原理 在在ZVS QRC中，中，谐振电容与有源开关谐振电容与有源开关并联，谐振电感与有并联，谐振电感与有源开关串联。由于有源开关串联。由于有谐振的作用，当谐振谐振的作用，当谐振电容中两端电压为零电容中两端电压为零时，开关管闭合，从时，开关管闭合，从而实现开关管的零电而实现开关管的零电压开通；开关管导通后，在任意时刻其两端电压可近似为零，压开通；开关管导通后，在任

7、意时刻其两端电压可近似为零，此时关断可实现开关管的零电压关断。此时关断可实现开关管的零电压关断。2. 工作过程分析工作过程分析 假设电感和电容很大，可以等效为电流源和电压源，并忽假设电感和电容很大，可以等效为电流源和电压源，并忽略电路中的损耗。略电路中的损耗。零电压开关准谐振变换电路的等效电路零电压开关准谐振变换电路的等效电路 (1) t0, t1阶段阶段 VT关断，谐振电容两端电压上升率线性上升，同时二极关断，谐振电容两端电压上升率线性上升，同时二极管管VD两端电压线性下降。两端电压线性下降。 VD导通，电感通过导通，电感通过VD续流，电感、电容和二极管形成谐续流，电感、电容和二极管形成谐振

8、回路，振回路，t2时刻电感电流下降到零，电容电压上升到谐振峰值。时刻电感电流下降到零，电容电压上升到谐振峰值。Lri改变方向，达到反向谐振峰值，改变方向，达到反向谐振峰值，CriuU1( )cos()LroritItt1( )sin()CrirorutUZ Itt VDs导通，电容电压被钳为零，电感电流线性衰减，直到导通，电容电压被钳为零，电感电流线性衰减，直到t5时刻，电感电流为零，这时使开关管开通为零电压下开通时刻，电感电流为零，这时使开关管开通为零电压下开通。 VT为通态，为通态， 二极管截止，电源对负载供电。二极管截止，电源对负载供电。LroiI (2) t1, t2阶段阶段 (3)

9、t2, t3阶段阶段 (4) t3, t4阶段阶段 (5) t4, t5阶段阶段 (6) t5, t6阶段阶段 7.2.3 零电压开关多谐振变换电路零电压开关多谐振变换电路（ZVS MRC） (1) t0, t1阶段阶段(Lr充电充电) 在在t=t0时刻，时刻， ，开关管在零电压条件下导通，电感电流线，开关管在零电压条件下导通，电感电流线性增长，直到性增长，直到0TCsuuLroiILroiI(2) t1, t2阶段阶段(Lr-Cd谐振谐振第一次谐振第一次谐振) 二极管截止，其上电压开始上升，电路进入谐振状态（第一次振），二极管截止，其上电压开始上升，电路进入谐振状态（第一次振），相当于相当于

10、ZCS QRC的谐振阶段，的谐振阶段， (3) t2, t3阶段阶段(Lr-Cd-Cs谐振谐振第二次谐振第二次谐振) (4) t3, t4阶段阶段(Lr-Cs谐振谐振第三次谐振第三次谐振)在在t=t2时刻，二极管上电压下降到零，管子导通，电路进时刻，二极管上电压下降到零，管子导通，电路进入谐振状态入谐振状态(第三次振第三次振)，相当于，相当于ZVS QRC的谐振阶段。的谐振阶段。在在t=t2时刻，开关管断开，电路进入谐振状态（第二次振）时刻，开关管断开，电路进入谐振状态（第二次振）Buck多谐振开关电路等效电路多谐振开关电路等效电路Buck多谐振开关电路工作波形多谐振开关电路工作波形7.3 零

11、开关零开关PWM变换电路变换电路7.3.1 零电流开关零电流开关PWM变换电路变换电路（ZCS PWM）Buck ZCS PWM变换电路变换电路 需要作出如下几点假设：需要作出如下几点假设：所有开关管、二极管均为理想器件；所有开关管、二极管均为理想器件；电感、电容均为理想元件；电感、电容均为理想元件；fCfL假定假定和和 都很大，可以等效为电压源和电流源。都很大，可以等效为电压源和电流源。 设电路初始状态为主开关管和辅助开关管均处于断开状态，设电路初始状态为主开关管和辅助开关管均处于断开状态，续流二极管导通。续流二极管导通。变换电路的等值电路变换电路的等值电路 变换电路的工作波形变换电路的工作

12、波形 (1) t0, t1阶段（电感线性充电）阶段（电感线性充电）在在t=t0时刻，时刻，VT1导通，电感电流线性上升，续流二极管的导通，电感电流线性上升，续流二极管的电流线性下降，当电流线性下降，当t=t1时刻，时刻， 续流二极管续流二极管自然关断。自然关断。LroiI(2) t1, t2阶段（电容谐振充电）阶段（电容谐振充电）在在t1tt5时，撤除时，撤除VT2的驱动信号，则的驱动信号，则VT2也是零电流关断。也是零电流关断。当当t=t6时刻，时刻，VT1被驱动，开始下一个开关周期。被驱动，开始下一个开关周期。7.3.2 零电压开关零电压开关PWM变换电路变换电路（ZVS PWM）Buck

13、 DC/DC ZVS PWM 变换电路变换电路 fCfL假定假定和和 都很大，都很大，可以等效为电压源和可以等效为电压源和电流源。电流源。 所有开关管、二极所有开关管、二极管均为理想器件；管均为理想器件；电感、电容均为理电感、电容均为理想元件；想元件；为了简化分析，在以为了简化分析，在以下的分析中假设：下的分析中假设： 设初始状态为主开关管设初始状态为主开关管VT1和辅助开关管和辅助开关管VT2均处于导通状态，均处于导通状态，续流二极管续流二极管VD截止，电感电流截止，电感电流 ，电容电压，电容电压 。LroiI0Cru变换电路的工作波形变换电路的工作波形 (1) t0, t1阶段（电容线性充

14、电）阶段（电容线性充电）VT1关断，关断，uCr线性上升，线性上升，当当t=t1时刻，时刻，uCr=Ui，VD导通导通变换电路的工作波形变换电路的工作波形 (2) t1, t2阶段（自然续流）阶段（自然续流）iLr=I0经经VT2、VD2续流，续流，uCr=Ui不变。不变。通过调节通过调节VT2的关断时刻的关断时刻t2调控输出电压。调控输出电压。(3) t2, t3阶段（谐振阶段）阶段（谐振阶段）VT2令电压关断关断，令电压关断关断，Lr和和Cr发生谐振发生谐振，当，当t=t3时刻，时刻，uCr=02( )sin()CriorrutUI Ztt2( )cos()LroritItt(4) t3,

15、 t4阶段（电感充电）阶段（电感充电）uCr=0，iLr为负值，为负值，VD1导导通，通， iLr经经VD1向电源回馈向电源回馈能量，当能量，当t=t3时刻，时刻，变换电路的工作波形变换电路的工作波形 iLr=0。 期间，期间，VT零电压开通。零电压开通。33tt t 变换电路的工作波形变换电路的工作波形 minroirCIUL(5) t4, t5阶段（恒流供电）阶段（恒流供电）VT1处于通态，处于通态，iLr线性上升，线性上升，iD线性减小，当线性减小，当t=t4时刻，时刻， iLr =I0，VD关断关断VT1令电压开通的条件令电压开通的条件 零电压开关准谐振变换电路和零电压开关零电压开关准

16、谐振变换电路和零电压开关PWM变变换电路的比较：换电路的比较： 1、引入辅助开关管以后，把、引入辅助开关管以后，把ZVS准谐振变换电路只能调频控准谐振变换电路只能调频控制改善为可以在恒频下通过制改善为可以在恒频下通过PWM控制输出电压。控制输出电压。 2、谐振元件对电路的输出特性影响很小，谐振元件谐振、充、谐振元件对电路的输出特性影响很小，谐振元件谐振、充放电过程短，损耗小，同时主开关管的电流仅为负载电流，放电过程短，损耗小，同时主开关管的电流仅为负载电流，其通态损耗小。其通态损耗小。 3、 ZVS QRC与与ZVS PWM电路相同之处是：开关管实现零电电路相同之处是：开关管实现零电压开通压开

17、通 条件是一样的，主开关管和谐振电容、电感的电流、条件是一样的，主开关管和谐振电容、电感的电流、电压应力也是完全一样的。电压应力也是完全一样的。 7.4 零转换零转换PWM变换电路变换电路7.4.1 基本零电流转换基本零电流转换PWM电路电路1. 拓扑结构拓扑结构谐振网络与主功率开关管相谐振网络与主功率开关管相并联，并联，并使主功率开关管在并使主功率开关管在零电流零电流条件下条件下开关的开关的PWM变换电路称为零电流转变换电路称为零电流转换换ZCT PWM变换电路。变换电路。 2. 工作原理工作原理 在每一次主功率开关管需在每一次主功率开关管需要进行状态转换之前，先导通要进行状态转换之前，先导

18、通辅助开关管，使辅助电路谐振辅助开关管，使辅助电路谐振为主开关管创造为主开关管创造零电流关断零电流关断(或或零电流导通零电流导通)条件。条件。主功率开关管完成状态转换后，尽快关断主功率开关管完成状态转换后，尽快关断辅助开关管，使辅助谐振电路停止工作，电路重新以常规辅助开关管，使辅助谐振电路停止工作，电路重新以常规PWM方式运行。方式运行。ZCT PWM变换电路的变换电路的4种基本拓扑结构种基本拓扑结构 7.4.2 基本零电压转换基本零电压转换PWM电路电路1. 拓扑结构拓扑结构 谐振网络与主功率开关管相谐振网络与主功率开关管相并并联联，并使主功率开关管在零电压下，并使主功率开关管在零电压下完成

19、开关过程的完成开关过程的PWM变换电路称为变换电路称为零电压转换零电压转换(ZVT PWM)变换电路。变换电路。2. 工作原理工作原理 在每一次主功率开关管需要导在每一次主功率开关管需要导通之前，先导通辅助开关管，使辅通之前，先导通辅助开关管，使辅助谐振网络谐振，助谐振网络谐振，当主开关管两端电容电压谐振到零后，在零当主开关管两端电容电压谐振到零后，在零电压下导通主开关管。电压下导通主开关管。主开关管完成导通后，迅速关断辅助开主开关管完成导通后，迅速关断辅助开关管，使辅助谐振电路停止工作。之后电路以常规的关管，使辅助谐振电路停止工作。之后电路以常规的PWM方式方式运行。运行。4种基本的种基本的

20、ZVT PWM变换电路拓扑结构变换电路拓扑结构 特点分析特点分析 ： 对于对于ZCT PWM而言，主功率管在零电流下关断，减小了而言，主功率管在零电流下关断，减小了如如IGBT这种具有很大电流拖尾的功率器件的关断损耗，并且这种具有很大电流拖尾的功率器件的关断损耗，并且又没有明显增加主功率管及整流二极管的电压和电流应力。又没有明显增加主功率管及整流二极管的电压和电流应力。同时，谐振网络可以自适应地根据输入电压与负载的变化调同时，谐振网络可以自适应地根据输入电压与负载的变化调整自己的环流能力。更重要的是它的软开关条件与输入、输整自己的环流能力。更重要的是它的软开关条件与输入、输出无关这就意味着它可

21、以在很宽的范围内实现软开关操作。出无关这就意味着它可以在很宽的范围内实现软开关操作。 对于对于ZVT PWM而言，主功率管在零电压下完成导通和关而言，主功率管在零电压下完成导通和关断，有效地消除了主功率二极管的反向恢复特性的影响，同断，有效地消除了主功率二极管的反向恢复特性的影响，同时又不过多的增加主功率开关管与主功率二极管的电压和电时又不过多的增加主功率开关管与主功率二极管的电压和电流应力。另外，流应力。另外，ZVT PWM也可在很宽的输入电压和输出负载也可在很宽的输入电压和输出负载变化范围内有效地实现软开关操作过程，并且用于保证变化范围内有效地实现软开关操作过程，并且用于保证ZVS条件所需

22、的环流能量也不大。条件所需的环流能量也不大。7.5 直流环节并联谐振型逆变电路直流环节并联谐振型逆变电路（PRDLI）直流环节并联谐振型逆变电路直流环节并联谐振型逆变电路 电路结构的特点为：电路结构的特点为：逆变桥开关器件的开关点可以选择在任何时刻，谐振可以在逆变桥开关器件的开关点可以选择在任何时刻，谐振可以在任何时刻进行，即直流电压过零时间点可以控制，便于和逆任何时刻进行，即直流电压过零时间点可以控制，便于和逆变电路开关器件变电路开关器件VT1VT2PWM控制要求同步；控制要求同步；所有开关器件承受的电压应力不超过所有开关器件承受的电压应力不超过Ui谐振电路的开关动作均在零电压条件下进行；谐

23、振电路的开关动作均在零电压条件下进行；谐振电感不在主回路能量传递通道上，逆变电路不换流时谐振电感不在主回路能量传递通道上，逆变电路不换流时 不工作，仅用作需谐振的储能元件；不工作，仅用作需谐振的储能元件；谐振电容和每个主开关器件并联，因此，可以利用器件本谐振电容和每个主开关器件并联，因此，可以利用器件本 身的寄生电容作谐振电容。身的寄生电容作谐振电容。7.5.1 工作过程工作过程为了简化分析，假定：为了简化分析，假定： 电路中的所有元器件均是理想的；电路中的所有元器件均是理想的； 谐振电感谐振电感L远小于负载电感，远小于负载电感，LC谐振周期很短，因此，在一谐振周期很短，因此，在一 个谐振开关

24、周期中，带有三相感性负载的逆变电路从直流母个谐振开关周期中，带有三相感性负载的逆变电路从直流母 线线 侧来看可等效为一恒定的电流源侧来看可等效为一恒定的电流源I0 直流电源电压为一理想电压源直流电源电压为一理想电压源Ui 各桥臂开关管两端并联的电容可等效为一个直接连在直流母各桥臂开关管两端并联的电容可等效为一个直接连在直流母 线上的电容线上的电容C。（1）开关状态）开关状态1 t0t1阶段阶段CiuU0Li VT0导通，导通，VTa、VTb断开，断开，电路处于稳定状态，这个时间电路处于稳定状态，这个时间段的持续时间取决于逆变电路段的持续时间取决于逆变电路的的PWMPWM控制所需的交流输出电控制

25、所需的交流输出电压波形的持续时间。压波形的持续时间。（2）开关状态）开关状态2 t1t2阶段阶段( )iLUi ttL驱动驱动VTa、VTb 当当L较较大时还可能是零电压开通大时还可能是零电压开通 当当t=t2时刻，时刻， 时，在零电压条件下关断时，在零电压条件下关断VT0。LTiI IT为使为使L具有足够的能量维持具有足够的能量维持LC谐振电路完成谐振过程，谐振电路完成谐振过程，使电容电压谐振到零使电容电压谐振到零1TiLItU（3）开关状态）开关状态3 t2t3阶段阶段当当 时时3ttLMiI0Cu ()cossiniLTooUiIIttIZcos()sinCiTouUtZ IIt21ar

26、ctaniToUZtII22()()MToioIIIUZIuC下降到零所需的时间为下降到零所需的时间为 （4）开关状态）开关状态4 t3t4阶段阶段VD、VDa、VDb导通导通 ，LMiI0Cu 保持不变。保持不变。 可使逆变器开关器件在零电压下换相，这段时间的起始点可使逆变器开关器件在零电压下换相，这段时间的起始点是可控的，使逆变器开关管在是可控的，使逆变器开关管在PWM控制所要求的时刻，准确控制所要求的时刻，准确的零电压下关断、开通，无开关损耗的零电压下关断、开通，无开关损耗。（5）开关状态）开关状态5 t4t5阶段阶段VDa、VDb关断关断 ()cosLMOXOXiIItI()sinCM

27、OXuZ IItuC从零谐振到从零谐振到Ui所需的时间：所需的时间：41arcsiniMOXUZtII22()()rMOXiOXOXIIIUZII 谐振电感应有足够地预充电流谐振电感应有足够地预充电流IT，足够大的足够大的IM，使，使t4t5期间能够将期间能够将uC从零充电到从零充电到Ui，可实现下一时间段可实现下一时间段中中VT0的零电压开通。的零电压开通。（6）开关状态）开关状态6 t5t8阶段阶段5( )()iLrUi tttIL 电感电流从电感电流从Ir下降到零所下降到零所需时间为：需时间为：5riLItU在在t5t7期间，可实现期间，可实现VT0零电压开通。零电压开通。7.5.2 参

28、数计算参数计算有两个重要的参数需要进行在线运算：有两个重要的参数需要进行在线运算： 和和TIOXI1. 谐振电感的预充电流终值谐振电感的预充电流终值 TI22iiTOXooUUIIIIZZOXa ab bc cIS iS iS i3. 逆变器开关器件的逆变器开关器件的PWM控制与谐振电路控制与谐振电路 、 、 通、断控制的时间配合通、断控制的时间配合0VTaVTbVT在时在时 驱动驱动 、 导通，经历导通，经历 时间以后关断时间以后关断 ，再经历，再经历 时间，时间， ，正好为逆变器开关器件提供了零电压开通、，正好为逆变器开关器件提供了零电压开通、零电压关断条件，逆变器开关器件换相。零电压关断

29、条件，逆变器开关器件换相。1ttaVTbVT1t0VT2t0cu 2. 电流电流 的预测的预测OXI7.5.3 控制策略控制策略PRDCLI的控制系统应包括两个控制电路：的控制系统应包括两个控制电路：1、PWM逆变器控制电路逆变器控制电路 SPWM、其他的、其他的PWM控制策略、基于空间电压矢量控制策略、基于空间电压矢量PWM控制策略、滞环电流跟踪型控制策略、滞环电流跟踪型PWM控制策略都可被选择使用。控制策略都可被选择使用。2、谐振电路的控制电路、谐振电路的控制电路 需要附加一个特殊的时序控制电路。需要附加一个特殊的时序控制电路。 实实 例例 主开关开通时电压已降为零，实现了零电压导通，而关断主开关开通时电压已降为零，实现了零电压导通，而关断时电压的上升率受到限制，实现了近似零电压关断；辅助开时电压的上升率受到限制，实现了近似零电压关断；辅助开关管开通时其上电流上升缓慢，关断时电压上升缓慢，分别关管开通时其上电流上升缓慢，关断时电压上升缓慢，分别实现了近似零电流开通和零电压关断。实现了近似零电流开通和零电压关断。 7.7 谐振软开关技术的发展谐振软开关技术的发展 软开关主要从以下几个方面发展：软开关主要从以下几个方面发展：